EP1289354B1 - Verfahren zum Herstellen von Löchern in einer Mehrlagenleiterplatte - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Löchern in einer Mehrlagenleiterplatte Download PDF

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EP1289354B1
EP1289354B1 EP01121061A EP01121061A EP1289354B1 EP 1289354 B1 EP1289354 B1 EP 1289354B1 EP 01121061 A EP01121061 A EP 01121061A EP 01121061 A EP01121061 A EP 01121061A EP 1289354 B1 EP1289354 B1 EP 1289354B1
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layer
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laser
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing holes in the first copper layer forming the outside of a multilayer printed circuit board and in a dielectric layer which separates the first copper layer from a second copper layer by means of laser radiation, wherein a CO 2 laser beam is used for the removal of the dielectric layer either the intensity of the CO 2 laser beam is chosen to be higher than the threshold intensity required to remove the first copper layer, and the hole is produced in the first copper layer and in the dielectric layer with the same CO 2 laser beam or the outside of the first copper layer with a layer Whose CO 2 laser radiation absorption is greater than the CO 2 laser radiation absorption of the outside of the first copper layer, or provided with a CO 2 laser radiation absorption increasing surface finish and then a hole in the first copper layer and in de r Dielectric layer is produced with the same CO 2 laser beam.
  • Such a method is for example by the WO 00/57680 A has become known.
  • DE 197 19 700 A1 discloses a method for producing blind holes (so-called microvia holes) in a multilayer printed circuit board (multilayer board), which make possible through-connection between two copper layers separated from one another by a dielectric layer.
  • a first laser by means of a first laser, a hole is made in the first copper layer forming the outer side of the multilayer printed circuit board, which extends into the underlying dielectric layer.
  • the first laser is an Nd: YAG continuous wave laser with a wavelength of 355 nm suitable for removing copper, which is operated in giant pulse mode with pulse widths between 1 ns and 1 ⁇ s.
  • the hole in the dielectric layer is recessed to the second copper layer.
  • the second laser is also an Nd: YAG or a CO 2 laser with a larger wavelength in the range between 1064 nm and 10600 nm compared to the first laser, in which the laser radiation is reflected by copper.
  • the diameter of the laser beam generated by the second laser is larger than in the case of the first laser, so that the first copper layer with the hole formed therein acts as a diaphragm and clean hole flanks are produced in the dielectric layer.
  • the currently achievable hole diameter are between 50 and 100 microns.
  • this process requires a drilling rig with two Nd: YAG lasers or a hybrid drilling rig with a CO 2 and Nd: YAG laser. After the drilling process, copper is deposited in the holes in a plating process and thus the electrical contact between the two copper layers, ie between the two interconnect levels, is produced.
  • the first copper layer acts with the hole etched therein as a diaphragm, so that the beam diameter can be greater than the etched hole.
  • a composite film with a copper foil which is fastened on a carrier film, is laminated onto a core plate.
  • the copper foil is less than 10 ⁇ m thick and has a front side facing the carrier foil and a rear side coated with resin.
  • the carrier foil is removed from the copper foil to expose the front side of the copper foil.
  • holes are drilled through the copper foil and the resin with a CO 2 laser to form microvias.
  • the front side of the copper foil is roughened or oxidized.
  • the hole diameter of the first copper layer and holes drilled in the dielectric layer to reduce.
  • This object is inventively achieved in that the Schwellenintestician of the CO 2 laser beam is exceeded only within a beam diameter smaller than the focus diameter of the CO 2 laser beam.
  • the essential advantage of the method according to the invention is that the minimum hole diameter not by the focus diameter of the CO 2 laser beam, in which the maximum intensity has fallen to 1 / e 2 , but by the beam diameter, within which the intensity is higher than the threshold intensity of the Copper is determined. Outside this beam diameter, the first copper layer acts as a diaphragm for the laser beam. If the threshold intensity is therefore exceeded only in a beam diameter smaller than the focus diameter, hole diameters smaller than the focus diameter are possible.
  • To microvia holes with a diameter of 90-100 microns too can be achieved, e.g. with a defocused beam with a diameter be worked by 150 microns on the surface.
  • the to Copper drilling required energy is in this case 22 mJ. This is about 10 times the value of the drilling process in a dielectric layer of pure epoxy resin.
  • the layer is deposited on the outside of the first copper layer, for example in the AlphaPrep method, or the outer surface of the first copper layer is roughened by etching.
  • the layer is preferably an organometallic coating.
  • the CO 2 laser radiation absorption on the copper surface is increased.
  • the copper surface is etched and at the same time a brown-red, microporous, organometallic layer is deposited on the etched surface, which offers good adhesion properties for polymeric materials.
  • This chemical pretreatment is used by default as a primer before the lamination process of the individual interconnect layers in the multilayer board manufacturing.
  • the AlphaPrep process is offered, for example, by the company Würth Elektronik GmbH & Co. KG Printed Circuit Board Technology, D-74676 Niedernhall.
  • the dielectric layer is removed to the second copper layer by means of the CO 2 laser beam.
  • the 1 shows a multilayer printed circuit board 1 with two copper layers 2 , 3 and an intermediate dielectric layer 4 in the initial state before the introduction of a blind hole, which allows the through-connection between the copper layers 2, 3.
  • the total thickness of the layer sequence shown is about 50 to 300 microns.
  • the introduction of the blind hole should be made by the outside of the multilayer printed circuit board 1 forming the first copper layer 2 ago.
  • the dielectric layer 4 consists of epoxy resin or of fiber-reinforced epoxy resin.
  • the second copper layer 3 may be followed by further dielectric and copper layers.
  • FIG. 2 shows, a further layer 5, whose CO 2 laser radiation absorption is greater than the CO 2 laser radiation absorption of the outside of the first copper layer 2, is first deposited on the outside of the first copper layer 2. Then, by means of a focused CO 2 laser beam 6 (wavelength: 9.2-11.8 ⁇ m), a hole 7 is introduced into the first copper layer 2 ( FIG. 3 ), then further into the dielectric layer 4 ( FIGS recessed to the second copper layer 3 ( Fig. 5 ).
  • a focused CO 2 laser beam 6 wavelength: 9.2-11.8 ⁇ m
  • the applied further layer 5 is a brown-red, microporous, organometallic layer, which in the AlphaPrep method is generated.
  • This chemical pretreatment is standard as a primer before the lamination process the individual interconnect layers in the multilayer board production used.
  • the intensity I of the CO 2 laser beam 6 is plotted over the beam cross section.
  • the focus diameter D of the CO 2 laser beam 6 is defined by the fall of the maximum intensity I 0 to 1 / e 2 * I 0 .
  • the further layer 5 increases the CO 2 laser radiation absorption of the first copper layer 2. Accordingly, the time required for removal of the first copper layer 2 threshold intensity I S reduces the CO 2 laser radiation, so that the coated first copper layer by means of the CO 2 laser beam 6, the intensity of which would not be sufficient for ablation of the uncoated first copper layer 2 is still removed ,
  • the hole diameter is not determined by the focus diameter D of the CO 2 laser beam 6, but by the beam diameter d, within which the intensity is higher than the threshold intensity I S of the copper.
  • the first copper layer 2 acts as a diaphragm for the laser beam 6.
  • the beam diameter d, and thus the hole diameter is smaller than the focal diameter D.
  • a focus diameter of approximately 90 ⁇ m can be drilled holes having a diameter of about 50 ⁇ m.
  • a defocused laser beam with a focus diameter of 150 ⁇ m on the copper surface it is also possible to work with a defocused laser beam with a focus diameter of 150 ⁇ m on the copper surface.
  • the energy required to drill copper is 22 mJ in this case.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Löchern in der die Außenseite einer Mehrlagenleiterplatte bildenden ersten Kupferschicht und in einer Dielektrikumschicht, welche die erste Kupferschicht von einer zweiten Kupferschicht trennt, mittels Laserstrahlung, wobei zur Abtragung der Dielektrikumschicht ein CO2-Laserstrahl verwendet wird und wobei entweder die Intensität des CO2-Laserstrahls höher als die zum Abtragen der ersten Kupferschicht erforderliche Schwellenintensität gewählt wird und das Loch in der ersten Kupferschicht und in der Dielektrikumschicht mit dem gleichen CO2-Laserstrahl erzeugt wird oder wobei die Außenseite der ersten Kupferschicht mit einer Schicht, deren CO2-Laserstrahlungsabsorption größer als die CO2-Laserstrahlungsabsorption der Außenseite der ersten Kupferschicht ist, oder mit einer die CO2-Laserstrahlungsabsorption erhöhenden Oberflächenbeschaffenheit versehen wird und dann ein Loch in der ersten Kupferschicht und in der Dielektrikumschicht mit dem gleichen CO2-Laserstrahl erzeugt wird.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise durch die WO 00/57680 A bekannt geworden.
Aus der DE 197 19 700 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Sacklöchern (sogenannte Microvia-Bohrungen) in einer Mehrlagenleiterplatte (Multilayerplatine) bekannt, die eine Durchkontaktierung zwischen zwei durch eine Dielektrikumschicht voneinander getrennten Kupferschichten ermöglichen. Dazu wird mittels eines ersten Lasers ein Loch in die die Außenseite der Mehrlagenleiterplatte bildende erste Kupferschicht eingebracht, das bis in die darunterliegende Dielektrikumschicht reicht. Bei dem ersten Laser handelt es sich um einen Nd:YAG-Dauerstrichlaser mit einer zum Abtragen von Kupfer geeigneten Wellenlänge von 355 nm, der im Riesenimpulsbetrieb mit Pulsbreiten zwischen 1 ns und 1 µs betrieben wird. Mittels eines zweiten Lasers wird das Loch in der Dielektrikumschicht bis zur zweiten Kupferschicht vertieft. Bei dem zweiten Laser handelt es sich ebenfalls um einen Nd:YAG- oder einen CO2-Laser mit einer im Vergleich zum ersten Laser größeren Wellenlänge im Bereich zwischen 1064 nm und 10600 nm, bei der die Laserstrahlung von Kupfer reflektiert wird. Der Durchmesser des vom zweiten Laser erzeugten Laserstrahls ist größer als im Falle des ersten Lasers, so daß die erste Kupferschicht mit dem darin ausgebildeten Loch als Blende wirkt und in der Dielektrikumschicht saubere Lochflanken erzeugt werden. Somit können die Anforderungen an die Fokussierbarkeit der Laserstrahlung und die Genauigkeit beim Positionieren der Mehrlagenleiterplatte erheblich gesenkt werden. Die zur Zeit erreichbaren Lochdurchmesser liegen zwischen 50 und 100 µm. Für dieses Verfahren ist allerdings eine Bohranlage mit zwei Nd:YAG-Lasern oder eine Hybridbohranlage mit einem CO2- und einem Nd:YAG-Laser erforderlich. Nach dem Bohrvorgang wird in einem Galvanisierungsprozeß Kupfer in den Löchern abgeschieden und somit der elektrische Kontakt zwischen den beiden Kupferschichten, d.h. zwischen den beiden Leiterbahnebenen, hergestellt.
Es ist auch bekannt, das Loch in der ersten Kupferschicht in einem naß-chemischen Ätzprozeß zu erzeugen und dann dieses Loch mittels eines CO2-Lasers bis zur zweiten Kupferschicht zu vertiefen. Dabei wirkt die erste Kupferschicht mit dem darin ausgeätzten Loch als Blende, so daß der Strahldurchmesser größer als das ausgeätzte Loch sein kann.
Bei dem aus der WO 00/57680 A bekannten Verfahren zum Herstellen einer Mehrlagenleiterplatte wird zuerst eine Kompositfolie mit einer Kupferfolie, die auf einer Trägerfolie befestigt ist, auf eine Kernplatte auflaminiert. Die Kupferfolie ist weniger als 10 µm dick und hat eine der Trägerfolie zugewandte Vorderseite und eine mit Harz beschichtete Rückseite. Die Trägerfolie wird von der Kupferfolie entfernt, um die Vorderseite der Kupferfolie frei zu legen. Dann werden mit einem CO2-Laser Löcher durch die Kupferfolie und das Harz gebohrt, um Microvias zu bilden. Um die Absorption des CO2-Laserlichts zu erhöhen, ist die Vorderseite der Kupferfolie aufgeraut oder oxidiert.
Schließlich ist auch ein Verfahren zum Herstellen von elektrischen Kontaktierungen bekannt, bei dem die Dielektrikumschicht auf die zweite Kupferschicht auflaminiert wird. Mittels eines CO2-Lasers werden an den gewünschten Stellen Löcher in die freiliegende Dielektrikumschicht gebohrt, wobei die Anforderung an die Fokussierbarkeit hoch ist, da bei diesem Verfahren keine Maske zur Verfügung steht. Im nachfolgenden Galvanisierungsprozeß werden die elektrischen Kontaktierungen und die die Außenseite der Mehrlagenleiterplatte bildende erste Kupferschicht gemeinsam erzeugt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Lochdurchmesser der in die erste Kupferschicht und in die Dielektrikumschicht gebohrten Löcher weiter zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schwellenintesität des CO2-Laserstrahls nur innerhalb eines Strahldurchmessers kleiner als der Fokusdurchmesser des CO2-Laserstrahls überschritten wird.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der minimale Lochdurchmesser nicht durch den Fokusdurchmesser des CO2-Laserstrahls, bei dem die maximale Intensität auf 1/e2 abgefallen ist, sondern durch den Strahldurchmesser, innerhalb dessen die Intensität höher als die Schwellenintensität des Kupfers ist, bestimmt wird. Außerhalb dieses Strahldurchmessers wirkt die erste Kupferschicht als Blende für den Laserstrahl. Wird die Schwellenintensität daher nur in einem Strahldurchmesser kleiner als der Fokusdurchmesser überschritten, sind Lochdurchmesser kleiner als der Fokusdurchmesser möglich. Versuche haben gezeigt, daß mit einem CO2-Laser mit einem Fokusdurchmesser von 90 µm Lochdurchmesser in der ersten Kupferschicht von ca. 50 µm erreicht werden. Diese Reduzierung wird durch die Schwellenintensität des Kupfers hervorgerufen, so daß auch bei zunehmender Miniaturisierung und damit weiterer Reduktion der Durchmesser von Microvia-Bohrungen der CO2-Laser in Zukunft als effektives Werkzeug in der Multiplatinenherstellung zur Verfügung steht.
Um Microvia-Bohrungen mit einem Durchmesser von 90-100 µm zu erzielen, kann z.B. mit defokussiertem Strahl mit einem Durchmesser von 150 µm auf der Oberfläche gearbeitet werden. Die zum Kupferbohren erforderliche Energie beträgt in diesem Fall 22 mJ. Dies ist der rund 10-fache Wert verglichen mit dem Bohrprozeß in einer Dielektrikumschicht aus reinem Epoxydharz.
Vorzugsweise wird die Schicht auf der Außenseite der ersten Kupferschicht, z.B. im AlphaPrep-Verfahren, abgeschieden oder die Außenseite der ersten Kupferschicht durch Anätzen aufgerauht. Im ersteren Fall ist die Schicht bevorzugt eine metallorganische Beschichtung. Versuche haben gezeigt, daß durch eine Behandlung der Kupferoberfläche mit dem sogenannten AlphaPrep-Verfahren die CO2-Laserstrahlungsabsorption auf der Kupferoberfläche erhöht wird. Beim AlphaPrep-Verfahren wird die Kupferoberfläche geätzt und gleichzeitig auf der geätzten Oberfläche eine braun-rote, mikroporige, metallorganische Schicht abgeschieden, die gute Hafteigenschaften für polymere Materialien bietet. Diese chemische Vorbehandlung wird standardmäßig als Haftvermittler vor dem Laminierungsprozeß der einzelnen Leiterbahnlagen in der Multilayerplatinenherstellung eingesetzt. Das AlphaPrep-Verfahren wird beispielsweise von der Fa. Würth Elektronik GmbH & Co. KG Leiterplattentechnik, D-74676 Niedernhall, angeboten.
Folgende Substanzen sind zum naßchemischen Ätzen von Kupfer besonders geeignet:
  • 1. Eisen(III)-chlorid {FeCl3}
  • 2. Ammoniumpersulfat {Ammoniumperoxodisulfat, (NH4)2S2O8}
  • 3. Natriumpersulfat {Natriumperoxodisulfat, Na2S2O8}
  • 4. Wasserstoffperoxid/Salzsäure {H2O2/HCl}.
    • Versuche haben gezeigt, daß das Anätzen der Kupferoberfläche ähnlich gute Ergebnisse hinsichtlich der CO2-Laserstrahlungsabsorption ergibt wie die Beschichtung der Außenseite mit AlphaPrep.
    Bevorzugt wird die Dielektrikumschicht bis zur zweiten Kupferschicht mittels des CO2-Laserstrahls abgetragen.
    Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
    Es zeigen:
    Fign. 1 bis 5
    einen Querschnitt durch die Mehrlagenleiterplatte in unterschiedlichen Stadien des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Lochs in der Mehrlagenleiterplatte; und
    Fig. 6
    das über den Strahlquerschnitt aufgetragene Intensitätsprofil eines das Loch in der Mehrlagenleiterplatte erzeugenden CO2-Lasers.
    Fig. 1 zeigt eine Mehrlagenleiterplatte 1 mit zwei Kupferschichten 2, 3 und einer dazwischenliegenden Dielektrikumschicht 4 im Ausgangszustand vor der Einbringung eines Sackloches, das die Durchkontaktierung zwischen den Kupferschichten 2, 3 ermöglicht. Die Gesamtdicke der gezeigten Schichtenfolge beträgt etwa 50 bis 300 µm. Die Einbringung des Sackloches soll von der die Außenseite der Mehrlagenleiterplatte 1 bildenden ersten Kupferschicht 2 her erfolgen. Die Dielektrikumschicht 4 besteht aus Epoxydharz oder aus faserverstärktem Epoxydharz. An die zweite Kupferschicht 3 können sich weitere Dielektrikum- und Kupferschichten anschließen.
    Wie Fig. 2 zeigt, wird zunächst auf die Außenseite der ersten Kupferschicht 2 eine weitere Schicht 5 abgeschieden, deren CO2-Laserstrahlungsabsorption größer als die CO2-Laserstrahlungsabsorption der Außenseite der ersten Kupferschicht 2 ist. Dann wird mittels eines fokussierten CO2-Laserstrahls 6 (Wellenlänge: 9,2 - 11,8 µm) ein Loch 7 in die erste Kupferschicht 2 (Fig. 3), dann weiter in die Dielektrikumschicht 4 eingebracht (Fig. 4) und bis zur zweiten Kupferschicht 3 vertieft (Fig. 5).
    Bei der aufgebrachten weiteren Schicht 5 handelt es sich um eine braun-rote, mikroporige, metallorganische Schicht, die im AlphaPrep-Verfahren erzeugt wird. Diese chemische Vorbehandlung wird standardmäßig als Haftvermittler vor dem Laminierungsprozeß der einzelnen Leiterbahnlagen in der Multilayerplatinenherstellung eingesetzt.
    In Fig. 6 ist die Intensität I des CO2-Laserstrahls 6 über den Strahlquerschnitt aufgetragen. Der Fokusdurchmesser D des CO2-Laserstrahls 6 ist definiert durch den Abfall der maximalen Intensität I0 auf 1/e2*I0. Durch die weitere Schicht 5 ist die CO2-Laserstrahlungsabsorption der ersten Kupferschicht 2 erhöht. Entsprechend reduziert sich die zum Abtragen der ersten Kupferschicht 2 erforderliche Schwellenintensität IS der CO2-Laserstrahlung, so daß die beschichtete erste Kupferschicht mittels des CO2-Laserstrahls 6, dessen Intensität zum Abtragen der unbeschichteten ersten Kupferschicht 2 nicht ausreichen würde, dennoch abgetragen wird.
    Der Lochdurchmesser wird dabei nicht durch den Fokusdurchmesser D des CO2-Laserstrahls 6, sondern durch den Strahldurchmesser d bestimmt, innerhalb dem die Intensität höher als die Schwellenintensität IS des Kupfers ist. Für Durchmesser größer als dieser Strahldurchmesser d wirkt die erste Kupferschicht 2 als Blende für den Laserstrahl 6.
    Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Strahldurchmesser d und damit auch der Lochdurchmesser kleiner als der Fokusdurchmesser D. Mit einem Fokusdurchmesser von ca. 90 µm können Löcher mit einem Durchmesser von ca. 50 µm gebohrt werden. Um Löcher mit einem Durchmesser von 90-100 µm zu bohren, kann auch mit einem defokussierten Laserstrahl mit einem Fokusdurchmesser von 150 µm auf der Kupferoberfläche gearbeitet werden. Die zum Kupferbohren erforderliche Energie beträgt in diesem Fall 22 mJ.

    Claims (4)

    1. Verfahren zum Herstellen von Löchern (7) in der die Außenseite einer Mehrlagenleiterplatte (1) bildenden ersten Kupferschicht (2) und in einer Dielektrikumschicht (4), welche die erste Kupferschicht (2) von einer zweiten Kupferschicht (3) trennt, mittels Laserstrahlung, wobei zur Abtragung der Dielektrikumschicht (4) ein CO2-Laserstrahl (6) verwendet wird und wobei entweder die Intensität des CO2-Laserstrahls (6) höher als die zum Abtragen der ersten Kupferschicht (2) erforderliche Schwellenintensität (Is) gewählt wird und das Loch (7) in der ersten Kupferschicht (2) und in der Dielektrikumschicht (4) mit dem gleichen CO2-Laserstrahl (6) erzeugt wird oder wobei die Außenseite der ersten Kupferschicht (2) mit einer Schicht (5), deren CO2-Laserstrahlungsabsorption größer als die CO2-Laserstrahlungsabsorption der Außenseite der ersten Kupferschicht (2) ist, oder mit einer die CO2-Laserstrahlungsabsorption erhöhenden Oberflächenbeschaffenheit versehen wird und dann ein Loch (7) in der ersten Kupferschicht (2) und in der Dielektrikumschicht (4) mit dem gleichen CO2-Laserstrahl (6) erzeugt wird,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenintensität (IS) des CO2-Laserstrahls (6) nur innerhalb eines Strahldurchmessers (d) kleiner als der Fokusdurchmesser (D) des CO2-Laserstrahls (6) überschritten wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5), vorzugsweise vollflächig, auf der Außenseite der ersten Kupferschicht (2) abgeschieden wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der ersten Kupferschicht (2) aufgeraut, vorzugweise angeätzt wird.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrikumschicht (4) bis zur zweiten Kupferschicht (3) abgetragen wird.
    EP01121061A 2001-09-01 2001-09-01 Verfahren zum Herstellen von Löchern in einer Mehrlagenleiterplatte Expired - Lifetime EP1289354B1 (de)

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